摘要：流域生態基流是河流生態系統健康穩定的關鍵，以新疆尼雅河流域為研究區域，根據民豐縣氣象站1958—2018年的氣象數據與尼雅河個水文監測斷面1978—2018年的水文數據，運用趨勢擬合、Tennant法、相關性分析和回歸模型等分析流域氣候變化、確定生態基流并探究其時空分異與保證率變化，揭示生態基流對氣候變化的響應。結果表明：61a來流域氣溫以0.22℃•(10a)的速度增加，降水量以3.8mm•(10a)的速度增加;尼雅水庫、八一八渠首、尼雅水文站和尼雅渠首的年生態基流推薦值分別為：1.989•、2.188•、1.755•、1.702•;生態基流年際最大值出現在2010年，最小值在1980年，年內最大值在月，最小值在月或12月;空間上表現為上游高下游低，以八一八渠首處最高，尼雅渠首處最低;各站多年平均生態基流保證率分別為：50%、45%、50%、45%，且表現出汛期明顯高于非汛期;逐年、逐月生態基流與氣溫降水均在0.01水平上顯著相關，但在春夏季對氣溫敏感，秋冬季對降水敏感，各水文斷面的回歸模型耦合效果相似，流域整體回歸方程0.365，且生態基流對氣候變化響應具有整體性和衰減性。研究結果可為尼雅河流域生態調水和水生態修復提供參考。
關鍵詞：氣候變化;尼雅河;生態基流;水文學法;保證率
隨著社會經濟的快速發展，人類對水資源的過度開發利用已經影響了生態系統穩定，尤其是在河流及其沿岸生態系統表現得尤為明顯，出現了資源型缺水、水土流失、水質惡化、河道徑流量減少以及生物多樣性衰減等眾多生態環境問題，導致河流生態系統隨之不斷退化[12]。為了緩和水資源開發利用與生態環境保護之間日益加劇的矛盾，實現流域社會經濟可持續發展，需要確保河道中擁有一定的水量以維持河流生態系統的穩定[3]。
在使河流滿足人類生產生活用水的同時，也能夠滿足生態系統的用水需求，使二者之間達到一種平衡狀態，生態基流的概念便隨之應運而生。盡管目前還沒有統一確定的標準概念來定義生態基流[45]，但學術界較為普遍接受的是指在生態需水與人類用水矛盾加劇的背景下，將生態系統健康作為河流健康的最高目標，河道最小流量所應滿足的最低要求即為生態基流[6]。
自十八世紀工業革命以來，人類燃燒大量化石燃料，向空氣中排放了大量二氧化碳等溫室氣體，使溫室效應加劇，全球氣溫正在經歷以變暖為主導的氣候變化，降水受到氣候變暖的影響出現了時空差異性的響應，但并沒有表現出某種確定的變化趨勢[78]。河流在氣溫與降水的變化影響下也出現了相應變化，使得流量、水位、流速等水文要素發生了不同程度的波動[9]，導致河流及其流域生態環境穩定受到嚴重影響[10]，在這樣一個復雜的氣候變化背景下，生態基流將會如何響應變化目前還尚不明晰。
國外學者對于生態基流的相關研究起步較早，研究內容主要集中在發展水生態系統服務功能價值、提供農業生態系統用水保障、保護河流生態系統生物多樣性、滿足流域生態環境保護與開發利用以及生態基流計算方法研究等幾個方面[1113]，已經形成了從理論概念、方法計算到實際應用為體系的完整研究框架。我國于20世紀70年代開始探索對河流生態基流的研究，經過眾多學者和管理人員所做的大量研究和應用工作，生態基流研究已經取得了一定的成果。從不同時間、不同空間和不同類型的生態用水入手，有針對性的對我國生態基流開展了多角度研究，建立了適應我國自然生態環境特點的生態基流研究指標體系[1416]。
目前國內外少有學者將氣候變化與生態基流相聯系進行研究，因此開展氣候變化背景下生態基流的響應情況分析具有十分重要的意義。新疆地處亞歐大陸中部，位于中國西北，由于深居內陸且有高山阻隔，降水稀少而蒸發較大，導致水資源十分匱乏[17]。尼雅河屬塔里木河支流，其流域范圍更是干旱區的典型代表，生態用水極為緊張。
因此，本文以新疆尼雅河流域為研究區域，根據民豐縣氣象站1958—2018年的氣象數據與尼雅河個水文監測斷面1978—2018年的水文數據，分析氣候變化趨勢、確定生態基流及其時空分異與保證率變化，揭示生態基流對氣候變化的響應，以期為合理安排調度尼雅河流域生態用水、水資源綜合利用與水生態恢復提供科學的參考依據。
1研究區概況
尼雅河流域位于新疆維吾爾自治區和田地區民豐縣中西部，南北長約200km，東西寬40～90km，流域總面積10160.96km，流域地處82°36′～82°50′，36°12′～37°48′之間。尼雅河是民豐縣的第一大河，呈南北走向，發源于昆侖山北麓的呂什塔格峰，為融雨、季節性積雪和山谷冰川融水補給的季節性河流。河流在上游出山口處有恰克達支流匯入，下游無支流匯入。
河流源頭段呈樹枝狀水系發育;河道為戈壁、卵石和半膠結砂卵石，兩岸植被稀少，自然條件惡劣，沿途穩定性較差;中游沖積平原區是民豐縣最大的農業區——尼雅灌區，南北長30km，耕地面積約33.34km;下游河床由砂礫石逐漸變為細砂，縱坡逐漸變緩，兩岸為自然森林保護區，綠洲寬1.5km，長約75km，主要有胡楊、紅柳、蘆葦等綠洲農田的天然屏障;河道末端消失于塔克拉瑪干沙漠深處。
2數據與方法
2.1數據來源
2.1.1水文數據
本文選用尼雅河干流上尼雅水庫、八一八渠首、尼雅水文站、尼雅渠首等個水文監測斷面1978—2018年的水文資料來探究生態基流，其中部分年份由于觀測缺失由回歸替換法推演獲得。具體數據包括日、月、年平均流量及年徑流量等，均來源于中華人民共和國水文年鑒《塔里木河流域水文資料》。
2.1.2氣象數據
本文選取尼雅河流域唯一具有長時間序列氣象數據的民豐氣象站1958—2018年的實測氣象數據對流域氣候變化進行分析，主要用到的數據內容包括逐日、逐月以及逐年的氣溫、降水等，數據均來源于中國氣象數據網，其中氣溫通過標準百葉箱自動監測記錄，降水量采用20cm的標準雨量器人工觀測記錄。
2.2研究方法
2.2.1水文學方法
當前國內外對于生態基流的計算方法很多，主要包括水文學方法、水力學方法、生態模擬法和整體分析法，本文選擇常用的水文學方法中的Tennant法、90%保證率最枯月平均流量法、最枯月平均流量多年平均值法等種方法來計算尼雅河流域的生態基流。
Tennant法Tennant法也叫做Montana法(蒙大拿法)，是由Tennant在1976年所提出來的[18]。該方法原理是取河流多年平均流量的10%～30%作為生態基流，適用于水文資料系列較長的河流，是目前估算河道生態基流最常用的方法[19]。由于尼雅河屬于典型的季節性河流，故本研究將Tennant法做適當改進，將汛期改為—月，非汛期改為10—翌年月，據此得到河流生態基流標準。
2.2.2統計學方法
本文主要應用的統計學方法有：檢驗、趨勢分析、相關性分析和回歸分析，其中回歸分析是為了確定氣候變化與生態基流變化之間的具體關系，本文研究氣候變化與生態基流之間的變化關系，故采用二元線性回歸模型。
3結果與分析
3.1氣候變化分析
3.1.1氣溫變化分析
通過對氣溫數據線性分析，并進行趨勢擬合后得出1958—2018年尼雅河流域氣溫以0.22℃•(10a)的速度增暖，這與焦文慧等[22]得出新疆氣溫極值指數以0.5℃•(10a)上升的結論相似。從中可以看出，1958—2018年尼雅河流域年均氣溫一直處于波動上升的變化過程，其中1958—1988年處于緩慢增溫階段，氣溫上升了0.4℃;1989—2018年處于相對快速增溫階段，氣溫上升了1.14℃。
3.1.2降水變化分析
通過對61的年降水量數據線性分析，并進行趨勢擬合后得出1958—2018年尼雅河流域降水量以3.8mm•(10a)的速度增加，這與施雅風等[23]得出1987—1996年南疆降水比前兩個10增加23.2%與30.1%的結論一致。從中可以看出，1958—2018年尼雅河流域的年降水量也處于波動增加的變化過程，期間在1972、1987、2010年和2016年出現了幾次驟增和驟減(降水量均驟增至100mm以上，次年又驟減至50mm以下)，其余年份也存在小范圍振蕩變化。通過以上對氣溫、降水的分析，結合表可以得出：新疆尼雅河流域從上世紀50年代開始至今一直處于一個逐漸增暖增濕的變化過程，這與吳秀蘭等人研究結論相同[24]。
3.2生態基流對氣候變化的響應
將尼雅河流域個水文監測斷面的逐年生態基流值加權平均得到流域整體逐年生態基流值，并用其與流域1978—2018年同期年均氣溫和年降水值進行相關性分析。結果表明逐年、逐月生態基流與氣溫降水均在0.01水平上呈顯著相關，其中逐年生態基流與年均氣溫的相關系數r=0.257，顯著性P=0.105;與年降水的相關系數r=0.593，顯著性P=0.000。導致年生態基流與年均氣溫相關性偏低的主因是：第一是氣溫的年際波動比較大，第二是年均氣溫的增長率較低(0.022℃•a)。
逐月生態基流與逐月氣溫、降水的相關性均較高融雪、降雨是流量的關鍵驅動因素，而生態基流又由實測流量分析得到，因此相關性較高，這與同地區其他研究結果一致[2526]。通過敏感性分析，發現春夏季生態基流對氣溫敏感，秋冬季則對降水敏感，這與尼雅河地處干旱區屬冰川融雪補給的河流性質有關。通過進一步回歸分析得到生態基流與年降水、年均氣溫的回歸方程。
在研究時段內，尼雅河流域生態基流與氣候變化呈明顯正相關，各水文斷面的回歸模型耦合效果相似，流域整體回歸方程為y=0.890.110.298，0.365，表明生態基流對氣候變化的響應不是某一處的瞬時突變，而是整體緩慢發生的。綜合上述對氣候、生態基流及二者變化的分析，得出尼雅河流域正處于逐漸變暖變濕過程，在此氣候變化背景下流域生態基流也隨之發生同步高低變化的響應，這種響應具有整體性，且在豐水年表現尤為強烈，并隨河流流向而緩慢衰減。
4結論
(1)研究發現，1958—2018年間尼雅河流域年均溫和降水整體表現出波動上升的過程，氣候變化呈暖濕化的發展趨勢，其中氣溫以0.22℃•(10a)的速度增暖，降水量以3.8mm•(10a)的速度增濕。
(2)基于尼雅河個水文監測斷面1978—2018年的水文數據，通過Tennant法等種水文學方法計算、確定各斷面逐月生態基流值，并基于此得到尼雅水庫、八一八渠首、尼雅水文站和尼雅渠首的年生態基流推薦值分別為：1.989m•s、2.188m•s、1.755m•s、1.702•s。
(3)從時間上分析，尼雅河流域生態基流表現為總體呈波動上升、年際與年內變化大的特征，最大值出現在2010年，最小值出現在1980年，年內汛期和非汛期差異十分顯著，各測站汛期生態基流量均占到占全年生態基流的98%以上。從空間分布來看，生態基流總體表現為上游高下游低、季節性差異顯著的特點，且最高值在八一八渠首，最低值在尼雅渠首。
(4)各斷面保證率變化具有相似性，其中尼雅水庫和尼雅水文站多年平均生態基流保證率為50%，八一八渠首和尼雅渠首為45%。在研究時段內，年保證率最高為58.33%，最低為33.33%，且年內非汛期生態基流難以得到保證，主要原因是河流流量小斷流早且持續時間長、蓄水灌溉工程使用頻繁和生活用水逐年增加。
(5)相關分析表明逐年、逐月生態基流與氣溫降水均在0.01水平上顯著相關，但春夏季生態基流對氣溫敏感，秋冬季對降水敏感。各水文斷面的回歸模型耦合效果相似，流域整體回歸方程為y=0.890.110.298，0.365，生態基流對氣候變化響應具有整體性，且在豐水年表現強烈，并隨河流流向而緩慢衰減。
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作者：胡可可1,2，何建村3，趙健3，蘇里坦1，張音1,2
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